FPGA的基本工作原理 Xilinx和Altera对比

FPGA是在PAL、GAL、EPLD、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为ASIC领域中的一种半定制电路而出现的，即解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路有限的缺点。

由于FPGA需要被反复烧写，它实现组合逻辑的基本结构不可能像ASIC那样通过固定的与非门来完成，而只能采用一种易于反复配置的结构。查找表可以很好地满足这一要求，目前主流FPGA都采用了基于SRAM工艺的查找表结构，也有一些军品和宇航级FPGA采用Flash或者熔丝与反熔丝工艺的查找表结构。通过烧写文件改变查找表内容的方法来实现对FPGA的重复配置。

根据数字电路的基本知识可以知道，对于一个n输入的逻辑运算，不管是与或非运算还是异或运算等等，最多只可能存在2n种结果。所以如果事先将相应的结果存放于一个存贮单元，就相当于实现了与非门电路的功能。FPGA的原理也是如此，它通过烧写文件去配置查找表的内容，从而在相同的电路情况下实现了不同的逻辑功能。

查找表的原理与结构

查找表（Look-Up-Table）简称为LUT，LUT本质上就是一个RAM。目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的的RAM。当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，

PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能结果，并把真值表（即结果）事先写入RAM，这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。

下面给出一个四输入与非门电路的例子来说明LUT实现逻辑功能的原理。

表给出一个使用LUT实现四输入与门电路的真值表。

表 输入与门的真值表

从中可以看到，LUT具有和逻辑电路相同的功能。实际上，LUT具有更快的执行速度和更大的规模。

3.1.2查找表结构的FPGA逻辑实现原理

我们还是以这个电路的为例：

图 四输入与门电路图

A，B，C，D由FPGA芯片的管脚输入后进入可编程连线，然后作为地址线连到到LUT，LUT中已经事先写入了所有可能的逻辑结果，通过地址查找到相应的数据然后输出，这样组合逻辑就实现了。该电路中D触发器是直接利用LUT后面D触发器来实现。时钟信号CLK由I/O脚输入后进入芯片内部的时钟专用通道，直接连接到触发器的时钟端。触发器的输出与I/O脚相连，把结果输出到芯片管脚。这样PLD就完成了图所示电路的功能。（以上这些步骤都是由软件自动完成的，不需要人为干预）

这个电路是一个很简单的例子，只需要一个LUT加上一个触发器就可以完成。对于一个LUT无法完成的的电路，就需要通过进位逻辑将多个单元相连，这样FPGA就可以实现复杂的逻辑。

因为基于LUT的FPGA具有很高的集成度，其器件密度从数万门到数千万门不等，可以完成极其复杂的时序与逻辑组合逻辑电路功能，所以适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计领域。其组成部分主要有可编程输入/输出单元、基本可编程逻辑单元、内嵌SRAM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元、内嵌专用单元等，主要设计和生产厂家有Xilinx、Altera、Lattice、Actel、Atmel和QuickLogic等公司，其中最大的是Xilinx、Altera、Lattice三家。

比较Xilinx和Altera

要比较Xilinx和Altera的FPGA，就要清楚两个大厂FPGA的结构，由于各自设计的不同，两家的FPGA结构各不相同，参数也各不相同，但可以统一到LUT（Look-Up-Table）查找表上。

下图就是A家的Cyclone IV系列片子的参数：

Altera Cyclone IV 系列资源比较

可以看到，A家的片子，用的是LE这个术语。

而下图是X家的Spartan-6 片子资料：

Xilinx Spartan-6 系列资源比较

X家用的是CLB这个术语作为基本单元。

再看看两家的基本单元有何不同：

A家的LE如下图：

Cyclone LE 结构

就是一个4输入LUT+FF构成

而X家的CLB如下：

xilinx CLB 结构

一个CLB由2个SLICE构成，一个SLICE含有4个6输入LUT，所以LUT=8*CLB。

Xilinx CLB 包含的 Slices LUT FF

这样的话，可以较比一下。EP4CE6基本就和XC6SLX9一个级别。。。。当然A家的片子是4输入LUT远比不上X家的6输入LUT。而X家的S-6片子，一个Slice内部有4个lut，8个FF。简而言之，一个Slice=四个LE。要注意的是A家C5以下的片子是4输入LUT而X家的是6输入LUT，差别也较大。如果不考虑FF，那么一个X家的slice=4个A家的LE。例如XC6SLX16含有2278个slices=EP4CE10（9000LE）的样子。当然，S-6的FF多一倍，达到了18224个。

在Virtex-5中（我们的设计大部分是Virtex，V5V6V7），一个Slice包含了4个LUT和4个FF。所以单纯从逻辑资源来看，S-6一个Slice比V-5的Slice强。当然V5的GTPGTX等等还有IO数量是S-6赶不上的。当然，A家的Cyclone V系列的片子，内部和前几代完全不同，采用了从高端的Stratix系列下放的技术。